Ściany skonstruowane z gabionów, bazujące na atrakcyjnej technologii konstrukcji segmentowych, stanowią życzliwy naturalnemu środowisku sposób zabezpieczenia komunikacyjnych budowli ziemnych (np. nasypów) przed utratą stateczności. Rozwiązania te są w literaturze (np. [6, 13, 14]) zaliczane do innowacyjnych. Charakteryzują się racjonalnym ukształtowaniem i są perfekcyjnie wkomponowane w otoczenie.

Oporowe ściany gabionowe rozwiązaniem przyjaznym środowisku

Kosze siatkowe, nazywane szańcowymi - „gabionami”, należą do szczególnej odmiany kaszyc [6]. Kosze są wypełniane materiałem kamiennym (kamień polny, bloki skalne, tłuczeń albo sortowany gruz budowlany). Odmianą gabionów są materace, wypełniane również materiałem kamiennym, lecz mają one formę elementów płytowych. Oba prostopadlościenne elementy konstrukcyjne mogą być stosowane oddzielnie lub łącznie, jako części składowe kompleksowej ochrony budowli ziemnych. Kosze i materace niekiedy uzupełnia się specjalnymi siatkami przeciwerozyjnymi oraz elementami gruntu zbrojonego. Jeżeli istnieje zagrożenie wypłukania ziaren gruntu, wtedy styk gabionu z podłożem lub zasypką gruntową zabezpiecza się odpowiednio dobranym kruszywem, matą geotekstylną (geowłókniną) lub innymi materiałami.

Zalety konstrukcji z kaszyc siatkowych, takie jak: elastyczność (podatność na deformacje bez zniszczenia), trwałość, wytrzymałość, wodoprzepuszczalność, ekologiczność, łatwość kształtowania konstrukcji z koszy, pozwalają na szerokie  stosowanie tego systemu w celach tworzenia [3, 4, 6, 13, 15, 20 ]:

• konstrukcji typu oporowego (przeciwdziałających osuwiskom), podtrzymujących niestabilne skarpy i urwiska,
• tymczasowych podpór obiektów mostowych, w tym także przyczółków,
• obudowy wzmacniającej skarpy nasypów i przekopów kolejowych oraz drogowych,
• budowli skarpowych w formie materacy, rozpraszających energię nabiegających fal (przeciwdziałanie fali powodziowej).

W Polsce w latach 90. XX wieku [6, 13, 20] rozpoczęto stosowanie na szerszą skalę gabionowego systemu ochrony i wzmacniania budowli ziemnych. W związku z dynamicznym rozwojem zastosowań przedmiotowych konstrukcji, zwłaszcza w budownictwie komunikacyjnym, wymagane jest od konstruktora zachowanie szczególnej ostrożności w procesie projektowania, a więc użycie właściwej, niezawodnej i jednocześnie ekonomicznej metody obliczeniowej. Ponieważ istniejąca procedura wymiarowania poszczególnych typów ścian gabionowych (klasyczne, Terramesh, Green Terramesh) zawiera znaczne uproszczenia i jest oparta w dużej mierze na intuicji, ocena funkcjonowania budowli ziemnych wzmacnianych tymi konstrukcjami wymaga pogłębionej analizy, w tym weryfikacji numerycznej i doświadczalnej (np. [5, 6, 14, 15]). Niewiele publikacji uwzględnia sytuacje kryzysowe, na przykład napór wody powodziowej [16, 17, 18]. To właśnie motywuje podjęcie tematyki, a więc próbę opracowania modelu odwzorowującego zachowanie się gabionowej konstrukcji oporowej, w funkcji parametrów dotyczących obciążenia eksploatacyjnego i struktury budowli [7-12].

Przedmiot badań

Przedstawiono analizę (głównie w aspekcie stateczności) zachowania się nasypu ze skarpą zabudowaną jednostronnie ścianą gabionową. Założono działanie obciążenia równomiernie rozłożonego na koronie o stałej intensywności oraz przypadek naporu wody w sytuacji wystąpienia powodzi. Piętrzenie wody występuje na skarpie niezabudowanej ścianą gabionową.

W pierwszej fazie rozpatrywany jest nasyp bez obciążenia na koronie. Przyjmując przypadek piętrzenia wody powodziowej opracowano: dyskretyzację obszaru filtracji, rozkład prędkości i siatkę hydrodynamiczną oraz powierzchnie poślizgu. Obliczono także wartości współczynników stateczności i parametry geometryczne wyznaczonych powierzchni poślizgu. Parametrem zmiennym jest konfiguracja ściany.

W drugiej fazie skarpa nasypu nie jest poddana naporowi wody lecz występuje obciążenie eksploatacyjne na koronie. Powierzchnie poślizgu wyznaczono dla najmniejszej wartości współczynnika stateczności obliczonego metodą Felleniusa i Bishopa. Zastosowano autorskie oprogramowanie [1, 2, 19]: program SZMFiB-Stateczność zboczy metodą Felleniusa i Bishopa oraz program FILTR-Filtracja ustalona w nasypach ziemnych piętrzących wodę.

Schematy obliczeniowe

* Stan przed zabudową ściany gabionowej (nasyp konwencjonalny jako model porównawczy). Ocenę stateczności skarpy komunikacyjnej budowli ziemnej wykonano na przykładzie jednorodnego nasypu, zlokalizowanego na podłożu odkształcalnym o parametrach identycznych jak nasyp [19]. Wysokość nasypu wynosi H = 5 m, nachylenie skarp 1:1,5, ciężar objętościowy gruntu γ = 17,0 kN/m³.

* Stan po zabudowie ściany gabionowej. Rozpatrzono trzy warianty ściany gabionowej pokazane na rysunku 1 (gabiony ustawione na sobie, tworzą jeden pionowy rząd): wariant I – ściana złożona z dwóch warstw gabionów usytuowanych w odległości 5,5m od korony nasypu; II – ściana złożona z trzech warstw gabionów usytuowanych w odległości 4 m od korony nasypu; III – ściana złożona z czterech warstw gabionów usytuowanych w odległości 2,5 m od korony nasypu. Tak usytuowane konstrukcje złożone z gabionów o wymiarach 1 m*1 m mają górny lewy narożnik położony na krawędzi skarpy nasypu konwencjonalnego o nachyleniu skarpy 1:1.5.

Dla opisanych schematów obliczeniowych przeprowadzono ocenę ogólnej stateczności konstrukcji gabionowej. Wyniki obliczeń w postaci przebiegu powierzchni poślizgu o najmniejszym współczynniku stateczności przedstawiono w opracowaniu [19]. Natomiast wartości otrzymanych współczynników stateczności i parametrów geometrycznych wyznaczonych powierzchni zestawiono w tabelach 1 i 2. Dla porównania, w pierwszym wierszu obu tabel podano odpowiednie dane dla nasypu konwencjonalnego (wzorca). Wartości współczynników wskazują, że wszystkie analizowane konstrukcje mają zapewnioną stateczność ogólną przy obciążeniu ciężarem własnym. Stwierdzono także prawie jednakowy przebieg powierzchni cylindrycznych wyznaczonych metodą Felleniusa i Bishopa [19].

Rys. 1. Skarpa nasypu zabudowana ścianą gabionową

Tweet